JP2009049121A - Heterojunction type field effect transistor and production method thereof - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a heterojunction type field effect transistor in which an AlN layer or an Al<SB>x</SB>Ga<SB>1-x</SB>N layer (wherein, x is 0.6 or more) is used as an electron donating layer. <P>SOLUTION: This heterojunction type field effect transistor comprises a laminate 30 produced by laminating a first GaN layer which is a channel layer 40, an AlN layer which is an electron donating layer 50 and a second GaN layer which is a cap layer 60 in this order. In addition, according to another preferred embodiment of the heterojunction type field effect transistor of the present invention, the heterojunction type field effect transistor comprises a laminate produced by laminating a first GaN layer which is a channel layer, an Al<SB>x</SB>Ga<SB>1-x</SB>N layer (wherein, 0.6≤x<1) which is an electron donating layer and a second GaN layer which is a cap layer in this order. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

この発明は、ヘテロ接合型電界効果トランジスタ及びその製造方法に関するものであり、特に電子供給層がAlN層、あるいはAlGa1−xN層(0.6≦x<1)であるヘテロ接合型電界効果トランジスタ及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a heterojunction field effect transistor and a method for manufacturing the heterojunction field effect transistor, and in particular, a heterojunction type in which an electron supply layer is an AlN layer or an Al x Ga 1-x N layer (0.6 ≦ x <1). The present invention relates to a field effect transistor and a manufacturing method thereof.

図11を参照して、従来のヘテロ接合型電界効果トランジスタについて説明する。図11は、従来のヘテロ接合型電界効果トランジスタを説明するための概略図であって、主要部の切断端面を示している。   A conventional heterojunction field effect transistor will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a schematic view for explaining a conventional heterojunction field effect transistor, and shows a cut end face of a main part.

ヘテロ接合型電界効果トランジスタ110は、下地120上に、チャネル層140であるGaN層と、電子供給層150であるAlGaN層とが順次に積層されて構成されている。ヘテロ接合型電界効果トランジスタ110は、電子供給層150であるAlGaN層と、チャネル層140であるGaN層のヘテロ構造を有している。この構造によれば、チャネル層140と電子供給層150の境界面であるヘテロ界面142に形成される2次元電子ガス(2DEG)が高濃度であり、及び、電子移動度も高いので、高電子移動度トランジスタとして良好な特性を示す。以下、AlGaN/GaNヘテロ構造を有するヘテロ接合型電界効果トランジスタである高電子移動度トランジスタを、AlGaN/GaN−HEMT(High Electron Mobility Transistor)と称することもある。   The heterojunction field effect transistor 110 is configured by sequentially stacking a GaN layer as a channel layer 140 and an AlGaN layer as an electron supply layer 150 on a base 120. The heterojunction field effect transistor 110 has a heterostructure of an AlGaN layer that is the electron supply layer 150 and a GaN layer that is the channel layer 140. According to this structure, the two-dimensional electron gas (2DEG) formed at the heterointerface 142, which is the interface between the channel layer 140 and the electron supply layer 150, has a high concentration and high electron mobility. Good characteristics as a mobility transistor. Hereinafter, a high electron mobility transistor, which is a heterojunction field effect transistor having an AlGaN / GaN heterostructure, may also be referred to as an AlGaN / GaN-HEMT (High Electron Mobility Transistor).

電子供給層150上には、オーミック接合で形成されたソース電極182及びドレイン電極184と、ショットキー接合で形成されたゲート電極180とが設けられている。AlGaN/GaN−HEMT110は、例えば、チャネル層140と電子供給層150に不純物が注入されて形成された素子分離領域135により、他の素子と分離される。電子供給層150の上側表面152上には、表面保護膜190としてシリコン窒化膜が形成されている。   On the electron supply layer 150, a source electrode 182 and a drain electrode 184 formed by ohmic junction, and a gate electrode 180 formed by Schottky junction are provided. The AlGaN / GaN-HEMT 110 is separated from other elements by, for example, an element isolation region 135 formed by implanting impurities into the channel layer 140 and the electron supply layer 150. A silicon nitride film is formed as a surface protective film 190 on the upper surface 152 of the electron supply layer 150.

なお、例えば、電子供給層150の組成が、AlGa1−xN(x=0.25)の場合、電子供給層の厚み(活性層厚)aが25nmのとき、2DEG濃度が約1.0×1013cm−2であり、電子移動度が1500cm/V・sである。 For example, when the composition of the electron supply layer 150 is Al x Ga 1-x N (x = 0.25), when the thickness (active layer thickness) a of the electron supply layer is 25 nm, the 2DEG concentration is about 1 0.0 × 10 13 cm −2 and the electron mobility is 1500 cm 2 / V · s.

FETの高周波化のためには、遮断周波数を大きくすることが有効であり、遮断周波数を大きくするためには、ゲート長Lgの短縮が最も有効であることが知られている。   It is known that increasing the cutoff frequency is effective for increasing the frequency of the FET, and shortening the gate length Lg is most effective for increasing the cutoff frequency.

ここで、ゲート長Lgの短縮を行うと、ピンチオフ特性の不良やしきい値電圧の負の方向へのシフトなど、ショートチャネル効果が生じる。ピンチオフ特性の不良は、FETの動作電圧の低下を招く。また、しきい値電圧のシフトは、設計値に対する許容範囲を狭めるため、歩留まり等への影響がある。   Here, when the gate length Lg is shortened, a short channel effect such as poor pinch-off characteristics and a negative shift of the threshold voltage occurs. A defective pinch-off characteristic causes a reduction in the operating voltage of the FET. Further, the shift of the threshold voltage has an influence on the yield and the like because the allowable range for the design value is narrowed.

このショートチャネル効果を防ぐためには、活性層厚aとゲート長Lgとの比(アスペクト比)Lg/aが5以上であることが望ましい(例えば、非特許文献1参照)。   In order to prevent this short channel effect, it is desirable that the ratio (aspect ratio) Lg / a between the active layer thickness a and the gate length Lg is 5 or more (for example, see Non-Patent Document 1).

上述のAlGaN/GaN−HEMT110では、活性層厚aが25nmであるため、ゲート長Lgが0.1μmの短ゲート領域では、アスペクト比が4程度となり、ショートチャネル効果が起こってしまう。   In the AlGaN / GaN-HEMT 110 described above, since the active layer thickness a is 25 nm, in the short gate region where the gate length Lg is 0.1 μm, the aspect ratio becomes about 4 and a short channel effect occurs.

ここで、活性層厚aを小さく、すなわち電子供給層150の厚みを薄くしていくと、2DEG濃度が低下してしまう。一方、AlGa1−xNのxを大きく、すなわち、Al濃度を高めていき、最終的にAlNにすれば、AlGa1−xN(x=0.25)の場合に比べて、電子供給層150の厚みを1/4以下にすることが理論上可能である。しかし、有機金属気相成長(MOCVD)法でAlGaNを成長させる場合、AlGa1−xNのAl濃度を高めていくと、x=0.52程度でAlGaN層の表面のひび割れが生じ、このひび割れがFET特性に影響を与える(例えば、非特許文献2参照)。 Here, if the active layer thickness a is decreased, that is, the thickness of the electron supply layer 150 is decreased, the 2DEG concentration is decreased. On the other hand, when x of Al x Ga 1-x N is increased, that is, when the Al concentration is increased and finally AlN is used, it is compared with the case of Al x Ga 1-x N (x = 0.25). It is theoretically possible to make the thickness of the electron supply layer 150 ¼ or less. However, when AlGaN is grown by the metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, if the Al concentration of Al x Ga 1-x N is increased, the surface of the AlGaN layer cracks when x = 0.52. This crack affects the FET characteristics (see Non-Patent Document 2, for example).

また、表面酸化によりゲートリーク特性が悪化することが知られている(例えば、非特許文献3参照)。   In addition, it is known that the gate leakage characteristic is deteriorated by surface oxidation (see, for example, Non-Patent Document 3).

同様に有機金属気相成長法でAlN層を成長させると、2nm厚程度のAlN層でも、その表面にひび割れが生じる。   Similarly, when an AlN layer is grown by metal organic vapor phase epitaxy, even an AlN layer having a thickness of about 2 nm is cracked on the surface.

このため、電子供給層150として、AlNや、xが0.6以上であるAlGa1−xNを用いることができなかった。 Therefore, as an electron supply layer 0.99, AlN and, x is from can not be used Al x Ga 1-x N is 0.6 or more.

このAlN層のひび割れは、MOCVD法において、高温(1200℃)でAlN層を成長させるため、成長後の降温中に、GaNとAlNとの熱膨張係数の差によって引き起こされる、あるいは、AlNの大気暴露による酸化に起因して生じることが考えられるが、その原因は明らかではない。   This crack of the AlN layer is caused by a difference in thermal expansion coefficient between GaN and AlN during the temperature drop after growth because the AlN layer is grown at a high temperature (1200 ° C.) in the MOCVD method. It may be caused by oxidation due to exposure, but the cause is not clear.

AlN層の形成までの工程を、プラズマ分子線エピタキシー(PAMBE:Plasma Assisted Molecular Beam Epitaxy)法で行う方法もある(非特許文献4参照)。   There is also a method in which the steps up to the formation of the AlN layer are performed by plasma molecular beam epitaxy (PAMBE: Plasma Assisted Molecular Beam Epitaxy) (see Non-Patent Document 4).

非特許文献4では、PAMBE法でのAlNの成長温度が200〜300℃と低いため、ひび割れを起こすことなく、AlNの成長が可能としている。
福田益美、平地康剛著「GaAs電界効果トランジスタの基礎」コロナ社 1992年、pp56−59 M.Miyoshi et al.,“Characterization of Different−Al−Content AlGaN/GaN Heterostructures and High−Electron−Mobility Transistors Grown on 100−mm−Diameter Sapphire Substrates by Metalorganic Vapor Phase Epitaxy”、Jpn.J.Appl.Phys.,Vol.43,No.12,2004,pp.7939−7943 T.Hashizume et al.,“Surface Control Process of AlGaN for Suppression of Gate Leakage Currents in AlGaN/GaN Heterostructure Field Effect Transistors”、Jpn.J.Appl.Phys.,Vol.45,No.4,2006,pp.L111−L113 M.Higashiwaki et al.,“AlN/GaN Insulated−Gate HFETs Using Cat−CVD SiN”,IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS,Vol.27,No.9,2006,pp.719−721 岩崎天彦他著、「SiC基板上AlGaN/GaN HEMTの結晶成長に関する研究」、信学技報、IEICE TECHNICAL REPORT、ED2006−155、CPM2006−92、LQE2006−59(2006−10)
In Non-Patent Document 4, since the growth temperature of AlN in the PAMBE method is as low as 200 to 300 ° C., it is possible to grow AlN without causing cracks.
Masumi Fukuda, Yasuhiro Hirachi, “Basics of GaAs Field Effect Transistors” Corona, 1992, pp 56-59 M.M. Miyoshi et al. , “Characterization of Difficult-Al-Content AlGaN / GaN Heterostructures and High-Electron-Mobility Transistor Pistol Sapphire Sap. J. et al. Appl. Phys. , Vol. 43, no. 12, 2004, pp. 7939-7943 T.A. Hashizumi et al. , “Surface Control Process of AlGaN for Suppression of Gate Leakage Currents in AlGaN / GaN Heterostructure Field Effect Transistors”, Jpn. J. et al. Appl. Phys. , Vol. 45, no. 4, 2006, pp. L111-L113 M.M. Higashiwaki et al. "AlN / GaN Insulated-Gate HFETs Using Cat-CVD SiN", IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, Vol. 27, no. 9, 2006, pp. 719-721 Akihiko Iwasaki et al., “Study on crystal growth of AlGaN / GaN HEMT on SiC substrate”, IEICE Technical Report, IEICE TECHNICICAL REPORT, ED2006-155, CPM2006-92, LQE2006-59 (2006-10)

ここで、AlN層を電子供給層として用いるとき、2DEG濃度を高めるため、AlN層は2nmよりも厚く、少なくとも4〜5nm程度の厚みで形成されるのが好ましい。   Here, when the AlN layer is used as the electron supply layer, in order to increase the 2DEG concentration, the AlN layer is preferably formed to be thicker than 2 nm and at least about 4 to 5 nm.

しかしながら、非特許文献3では、2.5mm程度の厚みのAlN層の形成について報告されているが、それを超える厚みのAlN層の形成については、報告されていない。   However, Non-Patent Document 3 reports the formation of an AlN layer having a thickness of about 2.5 mm, but does not report the formation of an AlN layer having a thickness exceeding that.

また、スペーサ層としてAlN層を用いる検討がされている(例えば、非特許文献5参照)。この非特許文献5では、下地上にチャネル層であるGaN層、スペーサ層であるAlN層、及び、電子供給層であるAlGaN層を、有機金属気相成長法により形成する技術が開示されている。   Further, studies have been made to use an AlN layer as a spacer layer (see, for example, Non-Patent Document 5). This Non-Patent Document 5 discloses a technique for forming a GaN layer that is a channel layer, an AlN layer that is a spacer layer, and an AlGaN layer that is an electron supply layer on a base by a metal organic chemical vapor deposition method. .

しかしながら、非特許文献5では、AlN層はスペーサ層として用いられるものであって、1nm程度の厚みが最適とされており、また、2nmより大きい厚みで形成することについては、検討されていない。   However, in Non-Patent Document 5, the AlN layer is used as a spacer layer, and a thickness of about 1 nm is optimal, and formation of a thickness larger than 2 nm has not been studied.

そこで、この出願に係る発明者らが鋭意研究を行ったところ、MOCVD法により、電子供給層としてのAlN層の形成に引き続いて、キャップ層としてGaN層を形成すると、AlN層の厚みが2.5nm以上であっても、ひび割れが解消され表面が平坦になることを見出した。   Therefore, the inventors of the present application have conducted intensive research. As a result of forming the GaN layer as the cap layer following the formation of the AlN layer as the electron supply layer by MOCVD, the thickness of the AlN layer becomes 2. It has been found that even when the thickness is 5 nm or more, cracks are eliminated and the surface becomes flat.

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、AlN層や、xが0.6以上であるAlGaN層を、電子供給層として用いるヘテロ接合型電界効果トランジスタ及びその製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and an object of the present invention is a heterojunction electric field using an AlN layer or an Al x GaN layer having x of 0.6 or more as an electron supply layer. An effect transistor and a method for manufacturing the same are provided.

上述した目的を達成するために、この発明のヘテロ接合型電界効果トランジスタは、チャネル層である第1GaN層と、電子供給層であるAlN層と、キャップ層である第2GaN層とが順次に積層された積層体を備えて構成される。   In order to achieve the above-described object, the heterojunction field effect transistor according to the present invention includes a first GaN layer that is a channel layer, an AlN layer that is an electron supply layer, and a second GaN layer that is a cap layer. It is comprised with the laminated body made.

また、この発明のヘテロ接合型電界効果トランジスタの他の好適実施形態によれば、チャネル層である第1GaN層と、電子供給層であるAlGa1−xN層(0.6≦x<1)と、キャップ層である第2GaN層とが順次に積層された積層体を備えて構成される。 According to another preferred embodiment of the heterojunction field effect transistor of the present invention, a first GaN layer as a channel layer and an Al x Ga 1-x N layer (0.6 ≦ x <) as an electron supply layer. 1) and a second GaN layer that is a cap layer are sequentially provided.

上述したヘテロ接合型電界効果トランジスタの実施にあたり、好ましくは、積層体上に、制御電極、第1主電極及び第2主電極を備えるのが良い。また、積層体と、制御電極の間にゲート絶縁膜を備える構成にすると好適である。   In implementing the above-described heterojunction field effect transistor, it is preferable that a control electrode, a first main electrode, and a second main electrode be provided on the stacked body. In addition, a structure including a gate insulating film between the stacked body and the control electrode is preferable.

上述した目的を達成するために、この発明のヘテロ接合型電界効果トランジスタの製造方法は、以下の工程を備えて構成される。先ず、下地上に、チャネル層である第1GaN層を形成する。次に、チャネル層上に、電子供給層であるAlN層を形成する。次に、電子供給層上に、キャップ層である第2GaN層を形成する。ここで、チャネル層、電子供給層及びキャップ層は有機金属気相成長法により、同一装置内で積層される。   In order to achieve the above-described object, a method for manufacturing a heterojunction field effect transistor according to the present invention includes the following steps. First, a first GaN layer that is a channel layer is formed on a base. Next, an AlN layer that is an electron supply layer is formed on the channel layer. Next, a second GaN layer that is a cap layer is formed on the electron supply layer. Here, the channel layer, the electron supply layer, and the cap layer are stacked in the same apparatus by metal organic vapor phase epitaxy.

また、この発明のヘテロ接合型電界効果トランジスタの製造方法の他の好適実施形態は、以下の工程を備えて構成される。先ず、下地上に、チャネル層である第1GaN層を形成する。次に、チャネル層上に、電子供給層であるAlGa1−xN層(0.6≦x<1)を形成する。次に、電子供給層上に、キャップ層である第2GaN層を形成する。ここで、チャネル層、電子供給層及びキャップ層は有機金属気相成長法により、同一装置内で積層される。 Another preferred embodiment of the method for producing a heterojunction field effect transistor of the present invention comprises the following steps. First, a first GaN layer that is a channel layer is formed on a base. Next, an Al x Ga 1-x N layer (0.6 ≦ x <1) that is an electron supply layer is formed on the channel layer. Next, a second GaN layer that is a cap layer is formed on the electron supply layer. Here, the channel layer, the electron supply layer, and the cap layer are stacked in the same apparatus by metal organic vapor phase epitaxy.

上述したヘテロ接合型電界効果トランジスタの製造方法の実施にあたり、好ましくは、キャップ層を形成する工程に続いて、有機金属気相成長法により、同一装置内でゲート絶縁膜として用いられるシリコン窒化膜を形成するのが良い。   In carrying out the above-described method of manufacturing a heterojunction field effect transistor, preferably, following the step of forming a cap layer, a silicon nitride film used as a gate insulating film in the same apparatus is formed by metal organic vapor phase epitaxy. It is good to form.

また、この発明のヘテロ接合型電界効果トランジスタの製造方法の他の好適実施形態は、以下の工程を備えて構成される。先ず、下地上に、チャネル層であるGaN層を形成する。次に、チャネル層上に、電子供給層であるAlN層を形成する。次に、電子供給層上に、ゲート絶縁膜として用いられるシリコン窒化膜を形成する。ここで、チャネル層、電子供給層及びシリコン窒化膜は有機金属気相成長法により、同一装置内で積層される。   Another preferred embodiment of the method for producing a heterojunction field effect transistor according to the present invention comprises the following steps. First, a GaN layer that is a channel layer is formed on a base. Next, an AlN layer that is an electron supply layer is formed on the channel layer. Next, a silicon nitride film used as a gate insulating film is formed on the electron supply layer. Here, the channel layer, the electron supply layer, and the silicon nitride film are stacked in the same apparatus by metal organic vapor phase epitaxy.

また、この発明のヘテロ接合型電界効果トランジスタの製造方法の他の好適実施形態は、以下の工程を備えて構成される。先ず、下地上に、チャネル層であるGaN層を形成する。次に、チャネル層上に、電子供給層であるAlGa1−xN層(0.6≦x<1)を形成する。次に、電子供給層上に、ゲート絶縁膜として用いられるシリコン窒化膜を形成する。ここで、チャネル層、電子供給層及びシリコン窒化膜は有機金属気相成長法により、同一装置内で積層される。 Another preferred embodiment of the method for producing a heterojunction field effect transistor according to the present invention comprises the following steps. First, a GaN layer that is a channel layer is formed on a base. Next, an Al x Ga 1-x N layer (0.6 ≦ x <1) that is an electron supply layer is formed on the channel layer. Next, a silicon nitride film used as a gate insulating film is formed on the electron supply layer. Here, the channel layer, the electron supply layer, and the silicon nitride film are stacked in the same apparatus by metal organic vapor phase epitaxy.

この発明のヘテロ接合型電界効果トランジスタによれば、電子供給層として、AlN層あるいは、AlGa1−xN層(0.6≦x<1)を備えているので、2DEG濃度が従来のAlGa1−xN層(例えば、x=0.25)の場合よりも高くなり、その結果、電子供給層の厚みを薄くできる。したがって、短ゲート領域であっても、アスペクト比を大きくすることができ、ショートチャネル効果を抑制できる。 According to the heterojunction field effect transistor of the present invention, since the AlN layer or the Al x Ga 1-x N layer (0.6 ≦ x <1) is provided as the electron supply layer, the 2DEG concentration is the conventional one. It becomes higher than the case of an Al x Ga 1-x N layer (for example, x = 0.25), and as a result, the thickness of the electron supply layer can be reduced. Therefore, even in the short gate region, the aspect ratio can be increased and the short channel effect can be suppressed.

また、この発明のヘテロ接合型電界効果トランジスタの製造方法によれば、電子供給層として形成された、AlN層あるいは、AlGa1−xN層(0.6≦x<1)の形成に続いて、キャップ層としてGaN層、あるいは、ゲート絶縁膜としてSiN層を、同一装置内で有機金属気相成長法を用いて形成する。このため、AlN層の大気暴露が起こらないので、AlN層の酸化に起因する、AlN層のひび割れを抑制することができる。また、AlGa1−xN層(0.6≦x<1)層についても同様に、ひび割れを抑制することができる。 In addition, according to the method for manufacturing a heterojunction field effect transistor of the present invention, an AlN layer or an Al x Ga 1-x N layer (0.6 ≦ x <1) formed as an electron supply layer can be formed. Subsequently, a GaN layer as a cap layer or an SiN layer as a gate insulating film is formed in the same apparatus using metal organic vapor phase epitaxy. For this reason, since exposure of the AlN layer to the atmosphere does not occur, cracks in the AlN layer due to oxidation of the AlN layer can be suppressed. Similarly, cracks can also be suppressed in the Al x Ga 1-x N layer (0.6 ≦ x <1) layer.

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the shape, size, and arrangement relationship of each component are merely schematically shown to the extent that the present invention can be understood. In the following, a preferred configuration example of the present invention will be described. However, the material and numerical conditions of each component are merely preferred examples. Therefore, the present invention is not limited to the following embodiments, and many changes or modifications that can achieve the effects of the present invention can be made without departing from the scope of the configuration of the present invention.

(第1実施形態)
図1を参照して、第1実施形態のヘテロ接合型電界効果トランジスタについて説明する。なお、このヘテロ接合型電界効果トランジスタは、高電子移動度トランジスタ(HEMT)であるので、以下の説明では、HEMTと称することもある。
(First embodiment)
The heterojunction field effect transistor of the first embodiment will be described with reference to FIG. Since this heterojunction field effect transistor is a high electron mobility transistor (HEMT), it may be referred to as HEMT in the following description.

図1は、第1実施形態のヘテロ接合型電界効果トランジスタを説明するための概略図であって、主要部の切断端面を示している。   FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the heterojunction field effect transistor according to the first embodiment, and shows a cut end face of a main part.

第1実施形態のヘテロ接合型電界効果トランジスタ10は、下地20上に、チャネル層40である第1GaN層と、電子供給層50であるAlN層と、キャップ層60である第2GaN層とが順次に積層された積層体30を備えて構成される。チャネル層40である第1GaN層と、電子供給層50であるAlN層の境界面である、AlN/GaN−ヘテロ界面45に、2次元電子ガス(2DEG)が形成される。   In the heterojunction field effect transistor 10 of the first embodiment, a first GaN layer that is a channel layer 40, an AlN layer that is an electron supply layer 50, and a second GaN layer that is a cap layer 60 are sequentially formed on a base 20. It is comprised including the laminated body 30 laminated | stacked on. A two-dimensional electron gas (2DEG) is formed at the AlN / GaN-heterointerface 45, which is the interface between the first GaN layer that is the channel layer 40 and the AlN layer that is the electron supply layer 50.

キャップ層60上には、オーミック接合で形成されたソース電極82及びドレイン電極84と、ショットキー接合で形成されたゲート電極80とが設けられている。AlN/GaN−HEMTは、例えば、チャネル層40と電子供給層50に不純物が注入されて形成された素子分離領域35により、他の素子と分離される。キャップ層60の上側表面62上には、表面保護膜としてシリコン窒化膜90が形成されている。   On the cap layer 60, a source electrode 82 and a drain electrode 84 formed by ohmic junction and a gate electrode 80 formed by Schottky junction are provided. The AlN / GaN-HEMT is separated from other elements by, for example, an element isolation region 35 formed by implanting impurities into the channel layer 40 and the electron supply layer 50. A silicon nitride film 90 is formed on the upper surface 62 of the cap layer 60 as a surface protective film.

この第1実施形態のヘテロ接合型電界効果トランジスタは、以下の工程で形成することができる。   The heterojunction field effect transistor of the first embodiment can be formed by the following steps.

まず、下地20を用意する。下地20は、ヘテロ接合型電界効果トランジスタで通常用いられているものと同様の構成にすることができる。例えば、シリコン、炭化シリコン及びサファイアから選択された1種の材料で形成された基板上に、バッファ層を備えたものを用いれば良い。バッファ層は、シリコンなどの基板とチャネル層との間で格子緩和効果を生じさせるために設けられている。バッファ層の形成は、例えばAlNを有機金属気相成長法(MOCVD法)により成長させることにより行われる。   First, the base 20 is prepared. The underlayer 20 can have the same configuration as that normally used in a heterojunction field effect transistor. For example, a substrate provided with a buffer layer on a substrate formed of one material selected from silicon, silicon carbide, and sapphire may be used. The buffer layer is provided in order to produce a lattice relaxation effect between the substrate such as silicon and the channel layer. The buffer layer is formed, for example, by growing AlN by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD).

次に、下地20上に、チャネル層40である第1GaN層を形成する。次に、チャネル層40上に、電子供給層50であるAlN層を形成する。次に、電子供給層50上に、キャップ層60である第2GaN層を形成する。   Next, a first GaN layer that is the channel layer 40 is formed on the base 20. Next, an AlN layer that is the electron supply layer 50 is formed on the channel layer 40. Next, a second GaN layer that is the cap layer 60 is formed on the electron supply layer 50.

ここで、チャネル層40、電子供給層50及びキャップ層60はMOCVD法により、同一装置内で積層される。AlN層は、CVD装置内に、アンモニア(NH3)ガス及びトリメチルアルミニウム(TMA)ガスを、それぞれ6slm及び10sccmの流量で導入し、1200℃の成長温度で形成される。また、第1GaN層及び第2GaN層は、CVD装置内に、NH3ガス及びトリメチルガリウム(TMG)ガスを、それぞれ5slm及び6sccmで導入し、1070℃の成長温度で形成される。なお、sccm(standard cubic cm per minute)及びslm(standard liter per minute)は、0℃、1気圧(=1013hPa)に換算した場合のガス流量を表す単位である。   Here, the channel layer 40, the electron supply layer 50, and the cap layer 60 are stacked in the same apparatus by MOCVD. The AlN layer is formed at a growth temperature of 1200 ° C. by introducing ammonia (NH 3) gas and trimethylaluminum (TMA) gas at a flow rate of 6 slm and 10 sccm, respectively, into the CVD apparatus. The first GaN layer and the second GaN layer are formed at a growth temperature of 1070 ° C. by introducing NH 3 gas and trimethyl gallium (TMG) gas at 5 slm and 6 sccm, respectively, into the CVD apparatus. Note that sccm (standard cubic cm per minute) and slm (standard liter per minute) are units representing gas flow rates when converted to 0 ° C. and 1 atm (= 1013 hPa).

ここで、AlN層はAlが多く含まれるため、表面酸化の影響を受けやすく、ひび割れを誘発する。このことから、AlN層が大気暴露されると、ゲートリーク電流の抑制が難しい。第1実施形態のヘテロ接合型電界効果トランジスタの製造方法では、電子供給層50であるAlN層が、キャップ層60である第2GaN層で被覆されているため、酸化を抑制できる。   Here, since the AlN layer contains a large amount of Al, it is easily affected by surface oxidation and induces cracks. For this reason, it is difficult to suppress the gate leakage current when the AlN layer is exposed to the atmosphere. In the method of manufacturing the heterojunction field effect transistor according to the first embodiment, since the AlN layer that is the electron supply layer 50 is covered with the second GaN layer that is the cap layer 60, oxidation can be suppressed.

図2に、MOCVD法で厚さ2nmのAlN層を形成した後の、原子間力顕微鏡(AFM:Atomic Force Microscope)で観察したAlN層表面を示す。また、図3に、電子供給層であるAlN層の形成に続いて、キャップ層として第2GaN層を形成した後の、AFMで観察した第2GaN層表面を示す。図2及び図3は、いずれも1μm角の領域を示している。   FIG. 2 shows an AlN layer surface observed with an atomic force microscope (AFM) after an AlN layer having a thickness of 2 nm is formed by MOCVD. FIG. 3 shows the surface of the second GaN layer observed by AFM after forming the second GaN layer as the cap layer following the formation of the AlN layer as the electron supply layer. 2 and 3 both show a 1 μm square region.

図2では、表面にひび割れ構造が見られるのに対し、図3では、表面にはひび割れが見られず、良好な表面構造であることがわかる。AlN層にひび割れが発生している場合には、AlN層上に形成される第2GaN層の表面にもその影響が現れるが、ここでは、第2GaN層表面にはひび割れが見られない。すなわち、MOCVD法によるAlN層の形成に続いて、同一装置内で第2GaN層を形成することにより、AlN層のひび割れの発生を抑制することができていることがわかる。   In FIG. 2, a crack structure is seen on the surface, whereas in FIG. 3, no cracks are seen on the surface, indicating that the surface structure is good. When a crack is generated in the AlN layer, the effect also appears on the surface of the second GaN layer formed on the AlN layer, but here, no crack is observed on the surface of the second GaN layer. That is, it can be seen that the formation of cracks in the AlN layer can be suppressed by forming the second GaN layer in the same apparatus following the formation of the AlN layer by MOCVD.

AlN層が形成された段階で成長を止めたときには、AFM像において表面にひび割れが認められるので(図2参照)、AlN層の形成に続いてGaN層を形成したことが、AlN層のひび割れの抑制をもたらしたと考えられる。この理由は明らかではないが、AlN層を、第1GaN層及び第2GaN層で挟む構造にしたことで、AlN層の破断が抑制されること、あるいは、AlN層の表面を覆うことで、AlN層の酸化が防止され、酸化に起因するひび割れ構造が抑制されること、などが挙げられる。   When the growth is stopped at the stage when the AlN layer is formed, cracks are observed on the surface in the AFM image (see FIG. 2). Therefore, the formation of the GaN layer subsequent to the formation of the AlN layer indicates that the crack of the AlN layer is It is thought that it brought about the suppression. The reason for this is not clear, but the AlN layer is structured to be sandwiched between the first GaN layer and the second GaN layer, so that the AlN layer is prevented from being broken, or the surface of the AlN layer is covered, so that the AlN layer And the crack structure caused by the oxidation is suppressed.

いずれにしても、1200℃でAlN層を成長させた後、GaN層の成長のため、1070℃まで降温された段階や、あるいは、GaN層が成長している段階では、AlN層のひび割れが生じておらず、また、GaN層の成長後は、室温まで降温されても、表面の平坦性が確保される。   In any case, after the AlN layer is grown at 1200 ° C., the AlN layer cracks at the stage where the temperature is lowered to 1070 ° C. or the stage where the GaN layer is growing because of the growth of the GaN layer. In addition, after the growth of the GaN layer, even if the temperature is lowered to room temperature, the flatness of the surface is ensured.

例えば、電子供給層の厚みを2.5nmとし、キャップ層の厚みを5nmとすれば、活性層厚aは7.5nmとなり、ゲート長40nmまで短くしても、5以上のアスペクト比を確保できる。   For example, if the thickness of the electron supply layer is 2.5 nm and the thickness of the cap layer is 5 nm, the active layer thickness a is 7.5 nm, and an aspect ratio of 5 or more can be ensured even when the gate length is shortened to 40 nm. .

2DEG濃度を高めるためには、AlN層の厚みをより大きくするのが良い。AlN及びGaNは、格子定数がそれぞれ3.112Å及び3.187Åであり、その差が2.4%程度であるため、AlN層を、ひび割れをおこすことなく形成できる臨界膜厚は、理論的には10nm程度である。   In order to increase the 2DEG concentration, it is preferable to increase the thickness of the AlN layer. Since AlN and GaN have lattice constants of 3.112 mm and 3.187 mm, respectively, and the difference is about 2.4%, the critical film thickness that can form an AlN layer without cracking is theoretically Is about 10 nm.

図4(A)、(B)、(C)、(D)、(E)及び(F)に、それぞれAlN層の厚みが0.5nm、2.5nm、2.55nm、6.08nm、8.12nm及び20nmの場合のAFM像を示す。ここでは、AlN層上に形成されたGaN層(第2GaN層)の表面について、図2及び3と同様に1μm角の領域のAFM像を示している。   4 (A), (B), (C), (D), (E), and (F), the thickness of the AlN layer is 0.5 nm, 2.5 nm, 2.55 nm, 6.08 nm, 8 AFM images for 12 nm and 20 nm are shown. Here, an AFM image of a 1 μm square region is shown on the surface of the GaN layer (second GaN layer) formed on the AlN layer, as in FIGS.

また、図5に、AlN層の厚みと、表面の平坦度との関係を示す。図5は横軸にAlN層の厚み(単位:μm)を取って示し、及び、縦軸に表面のRMS(Root Mean Square)(単位:nm)を取って示している。表面のRMSは、表面の平坦度の評価に用いられるものであり、表面の高さ方向の位置の分布を、平均位置からの距離の2乗平均として算出したものである。   FIG. 5 shows the relationship between the thickness of the AlN layer and the flatness of the surface. FIG. 5 shows the thickness of the AlN layer (unit: μm) on the horizontal axis, and the surface RMS (Root Mean Square) (unit: nm) on the vertical axis. The RMS of the surface is used for evaluating the flatness of the surface, and the distribution of the position in the height direction of the surface is calculated as the mean square of the distance from the average position.

AlN層の厚みが2.55nmまでは、表面にひび割れがなく、RMSも0.2nm以下である。AlN層の厚みが6.08nmになると、表面にひび割れが発生し、AlN層の厚みが大きくなるにつれて、顕著になる。   When the thickness of the AlN layer is up to 2.55 nm, there is no crack on the surface, and the RMS is 0.2 nm or less. When the thickness of the AlN layer is 6.08 nm, cracks are generated on the surface, and become prominent as the thickness of the AlN layer increases.

AlN層の厚みが6.08nm以上の領域では、AlN層の厚みに対して、RMSは1次関数的に増加する。すなわち、RMSの増加はひび割れの増加に対応する。一方、AlN層の厚みが2.55nmまでは、ほぼ一定の値である。   In the region where the thickness of the AlN layer is 6.08 nm or more, the RMS increases linearly with respect to the thickness of the AlN layer. That is, an increase in RMS corresponds to an increase in cracks. On the other hand, the AlN layer has a substantially constant value up to 2.55 nm.

AlN層の厚みが6.08nm以上の場合について、AlN層の厚みとRMSとの関係を1次直線で近似すると、y=0.18x−0.89となり、およそx=5のときyが0になる。すなわち、AlN層の厚みが5nm以下であれば、ひび割れによるFETの動作への影響が無視できる範囲と考えられる。   When the thickness of the AlN layer is 6.08 nm or more, when the relationship between the thickness of the AlN layer and RMS is approximated by a linear line, y = 0.18x−0.89, and when x = 5, y is 0. become. That is, if the thickness of the AlN layer is 5 nm or less, it is considered that the influence of cracks on the operation of the FET can be ignored.

図6に、水銀プローブを用いたC−V測定による、キャリア濃度の測定結果を示す。図6は、横軸にゲート電極の下面、すなわち、積層体30の上面からの深さ(単位:nm)を取って示し、縦軸に、キャリア濃度(単位:cm−3)を取って示している。図6は、AlN層の厚みが2.5nm、及び第2GaN層の厚みが5nmのときの測定結果である。このとき、深さ9nmで、濃度が8.6×1019cm−3のキャリアの存在が認められた。 FIG. 6 shows the measurement results of the carrier concentration by CV measurement using a mercury probe. In FIG. 6, the horizontal axis indicates the depth (unit: nm) from the lower surface of the gate electrode, that is, the upper surface of the stacked body 30, and the vertical axis indicates the carrier concentration (unit: cm −3 ). ing. FIG. 6 shows the measurement results when the thickness of the AlN layer is 2.5 nm and the thickness of the second GaN layer is 5 nm. At this time, the presence of a carrier having a depth of 9 nm and a concentration of 8.6 × 10 19 cm −3 was observed.

なお、同様の方法で、キャリア濃度を測定したところ、AlN層の厚みが0.5nmのとき、キャリアの存在は認められなかった。また、AlN層の厚みが2.5nm以上であれば、AlN層の厚みが20nmまで、キャリアの存在が認められている。   When the carrier concentration was measured by the same method, no carrier was observed when the thickness of the AlN layer was 0.5 nm. Further, when the thickness of the AlN layer is 2.5 nm or more, the presence of carriers is recognized until the thickness of the AlN layer is 20 nm.

以上の結果から、キャリアの存在と、表面のRMSを考慮すると、AlN層の厚みを2.5nmから5nmとするのが好ましい。   From the above results, the thickness of the AlN layer is preferably 2.5 nm to 5 nm in consideration of the presence of carriers and the RMS of the surface.

ここで、AlGa1−xNのAl濃度を高めて、x=1とすればAlNになり、また、xが0.52以上で、AlGa1−xNがひび割れ構造になることが知られている(非特許文献2参照)。 Here, if the Al concentration of Al x Ga 1-x N is increased and x = 1, it becomes AlN, and when x is 0.52 or more, Al x Ga 1-x N has a cracked structure. Is known (see Non-Patent Document 2).

これに対し、AlN層のひび割れの抑制に有効であるGaNキャップ層は、AlGa1−xN層(0.6≦x<1)に対しても、ひび割れの抑制に有効であることは、容易に推測できる。そこで、電子供給層としてAlN層に代えて、AlGa1−xN層(0.6≦x<1)を用いることができる。 On the other hand, the GaN cap layer that is effective in suppressing cracks in the AlN layer is effective in suppressing cracks even for Al x Ga 1-x N layers (0.6 ≦ x <1). Can be guessed easily. Therefore, an Al x Ga 1-x N layer (0.6 ≦ x <1) can be used as the electron supply layer instead of the AlN layer.

なお、AlGa1−xN層(0.6≦x<1)の膜厚は、xの大きさに依存して定まる。2DEG濃度を高めるために、AlGa1−xN層(0.6≦x<1)の膜厚を、電子供給層としてAlN層を用いた場合よりも厚くするのが良い。このとき、AlGa1−xN層とGaN層の格子定数の差は、AlN層とGaN層の差に比べて小さくなるので、臨界膜厚が大きくなり、AlN層と同等以上の厚みで形成できる。 The film thickness of the Al x Ga 1-x N layer (0.6 ≦ x <1) is determined depending on the size of x. In order to increase the 2DEG concentration, the film thickness of the Al x Ga 1-x N layer (0.6 ≦ x <1) is preferably made thicker than when an AlN layer is used as the electron supply layer. At this time, the difference in lattice constant between the Al x Ga 1-x N layer and the GaN layer is smaller than the difference between the AlN layer and the GaN layer, so that the critical film thickness is increased and the thickness is equal to or greater than that of the AlN layer. Can be formed.

この発明のヘテロ接合型電界効果トランジスタによれば、電子供給層として、AlN層あるいは、AlGa1−xN層(0.6≦x<1)を備えているので、2DEG濃度が従来のAlGa1−xN層(例えば、x=0.25)の場合よりも高くなり、その結果、電子供給層の厚みを薄くできる。したがって、短ゲート領域であっても、アスペクト比を大きくすることができ、ショートチャネル効果を抑制できる。 According to the heterojunction field effect transistor of the present invention, since the AlN layer or the Al x Ga 1-x N layer (0.6 ≦ x <1) is provided as the electron supply layer, the 2DEG concentration is the conventional one. It becomes higher than the case of an Al x Ga 1-x N layer (for example, x = 0.25), and as a result, the thickness of the electron supply layer can be reduced. Therefore, even in the short gate region, the aspect ratio can be increased and the short channel effect can be suppressed.

また、この発明のヘテロ接合型電界効果トランジスタの製造方法によれば、電子供給層として形成された、AlN層あるいは、AlGa1−xN層(0.6≦x<1)の形成に続いて、キャップ層としてGaN層を、同一装置内で有機金属気相成長法を用いて形成することにより、AlN層あるいは、AlGa1−xN層(0.6≦x<1)のひび割れを抑制することができる。 In addition, according to the method for manufacturing a heterojunction field effect transistor of the present invention, an AlN layer or an Al x Ga 1-x N layer (0.6 ≦ x <1) formed as an electron supply layer can be formed. Subsequently, by forming a GaN layer as a cap layer using metal organic vapor phase epitaxy in the same apparatus, an AlN layer or an Al x Ga 1-x N layer (0.6 ≦ x <1) is formed. Cracks can be suppressed.

(第2実施形態)
図7を参照して、第2実施形態のヘテロ接合型電界効果トランジスタについて説明する。図7は、第2実施形態のヘテロ接合型電界効果トランジスタを説明するための概略図であって、主要部の切断端面を示している。
(Second Embodiment)
With reference to FIG. 7, the heterojunction field effect transistor of 2nd Embodiment is demonstrated. FIG. 7 is a schematic view for explaining the heterojunction field effect transistor according to the second embodiment, and shows a cut end surface of a main part.

第2実施形態のヘテロ接合型電界効果トランジスタ11は、キャップ層を有する積層体上に、ゲート絶縁膜92としてシリコン窒化膜を備え、ゲート絶縁膜92上にゲート電極80を備えて構成される、いわゆるMIS(Metal Insulator Semiconductor)構造の電界効果トランジスタ(MISFET)である。   The heterojunction field effect transistor 11 of the second embodiment includes a silicon nitride film as a gate insulating film 92 on a stacked body having a cap layer, and a gate electrode 80 on the gate insulating film 92. This is a field effect transistor (MISFET) having a so-called MIS (Metal Insulator Semiconductor) structure.

MIS構造にすることにより、ゲートリーク電流を抑制することができる。ゲート絶縁膜として、厚み14nmのシリコン窒化膜を積層した場合であっても、電子供給層の厚み2.4nm、キャップ層の厚み3.3nmであれば、活性層厚aは20nm以下となり、ゲート長100nmであっても、5以上のアスペクト比を維持できる。   With the MIS structure, gate leakage current can be suppressed. Even when a silicon nitride film having a thickness of 14 nm is laminated as the gate insulating film, if the thickness of the electron supply layer is 2.4 nm and the thickness of the cap layer is 3.3 nm, the active layer thickness a is 20 nm or less. Even when the length is 100 nm, an aspect ratio of 5 or more can be maintained.

従来のGaN系MISFETでは、電子供給層としてAlGaN層を用いているため、アスペクト比が低い。例えば、AlGa1−xN層(x=0.25)で、電子供給層の厚みが25nmの場合、シリコン窒化膜の厚みを14nmとすると、活性層厚a、すなわち、ゲート電極からヘテロ界面までの距離は39nmとなり、ゲート長が0.1μmでは、アスペクト比が2.5にまで低下する。 In the conventional GaN-based MISFET, the AlGaN layer is used as the electron supply layer, and thus the aspect ratio is low. For example, in the case of an Al x Ga 1-x N layer (x = 0.25) and the thickness of the electron supply layer is 25 nm, the thickness of the silicon nitride film is 14 nm. The distance to the interface is 39 nm, and the aspect ratio decreases to 2.5 when the gate length is 0.1 μm.

これに対し、AlN/GaNヘテロ界面に形成される2DEGを利用すれば、例えば、電子供給層50であるAlN層の厚みは2.4nm、キャップ層60である第2GaN層の厚みは3.3nmとなり、シリコン窒化膜の厚みが14nmであっても、5以上のアスペクト比が維持できる。   On the other hand, if 2DEG formed at the AlN / GaN heterointerface is used, for example, the thickness of the AlN layer that is the electron supply layer 50 is 2.4 nm, and the thickness of the second GaN layer that is the cap layer 60 is 3.3 nm. Thus, even if the thickness of the silicon nitride film is 14 nm, an aspect ratio of 5 or more can be maintained.

図8に、水銀プローブを用いたC−V測定による、キャリア濃度の測定結果を示す。図8は、横軸にゲート電極の下面、すなわち、積層体30の上面からの深さ(単位:nm)を取って示し、縦軸に、キャリア濃度(単位:cm−3)を取って示している。図8は、AlN層の厚みが2.4nm、キャップ層の厚みが3.3nm及びシリコン窒化膜の厚みが14nmのときの測定結果である。このとき、深さ30nmで、濃度が1.75×1020cm−3のキャリアの存在が認められた。 FIG. 8 shows the measurement result of the carrier concentration by CV measurement using a mercury probe. In FIG. 8, the horizontal axis indicates the depth from the lower surface of the gate electrode, that is, the upper surface of the stacked body 30 (unit: nm), and the vertical axis indicates the carrier concentration (unit: cm −3 ). ing. FIG. 8 shows measurement results when the thickness of the AlN layer is 2.4 nm, the thickness of the cap layer is 3.3 nm, and the thickness of the silicon nitride film is 14 nm. At this time, the presence of a carrier having a depth of 30 nm and a concentration of 1.75 × 10 20 cm −3 was observed.

図9を参照して、ゲートリーク電流について説明する。図9(A)は、図1を参照して説明した第1実施形態のヘテロ接合型電界効果トランジスタのゲートリーク電流を示す特性図であり、図9(B)は、図7を参照して説明した第2実施形態のヘテロ接合型電界効果トランジスタのゲートリーク電流を示す特性図である。図9(A)及び(B)は横軸に、ソース−ゲート間の電圧Vgs(単位:V)を取って示し、縦軸にソース−ゲート間を流れるリーク電流Ids(単位:A)を取って示している。   The gate leakage current will be described with reference to FIG. FIG. 9A is a characteristic diagram showing the gate leakage current of the heterojunction field effect transistor according to the first embodiment described with reference to FIG. 1, and FIG. It is a characteristic view which shows the gate leak current of the heterojunction field effect transistor of 2nd Embodiment demonstrated. 9A and 9B, the horizontal axis indicates the source-gate voltage Vgs (unit: V), and the vertical axis indicates the leakage current Ids (unit: A) flowing between the source and gate. It shows.

第1実施形態では、電流Idsが、1×10−8〜1×10−7A程度であるのに対し、第2実施形態では、リーク電流は3桁程度低減され、1×10−12〜1×10−11A程度である。 In the first embodiment, the current Ids is about 1 × 10 −8 to 1 × 10 −7 A, whereas in the second embodiment, the leakage current is reduced by about 3 digits, and the current Ids is about 1 × 10 −12 to It is about 1 × 10 −11 A.

シリコン窒化膜は、プラズマCVD法や熱CVD法など、任意好適な方法で形成することができるが、チャネル層、電子供給層及びキャップ層の積層体の形成に続いて、同じ装置内でMOCVD法により堆積するのが良い。この場合、シリコン窒化膜は、CVD装置内に、NH3ガス及びシラン(SiH4)ガスを、それぞれ4slm及び100sccmで導入し、850℃の成長温度で形成される。   The silicon nitride film can be formed by any suitable method such as a plasma CVD method or a thermal CVD method. However, following the formation of the stacked layer of the channel layer, the electron supply layer, and the cap layer, the MOCVD method is performed in the same apparatus. It is good to deposit by. In this case, the silicon nitride film is formed at a growth temperature of 850 ° C. by introducing NH 3 gas and silane (SiH 4) gas at 4 slm and 100 sccm, respectively, into the CVD apparatus.

また、ここでは、チャネル層、電子供給層及びキャップ層の積層体の形成に続いて、ゲート絶縁膜の形成を同一装置内で行う。このため、SiN/GaN界面状態が良好になり、その結果、MISFETの動作上、界面準位が少なく、界面準位に起因する電流コラプスが改善し、ゲート耐圧の向上が期待できる。   Here, following the formation of the stacked body of the channel layer, the electron supply layer, and the cap layer, the gate insulating film is formed in the same apparatus. For this reason, the SiN / GaN interface state is improved. As a result, the interface state is small in the operation of the MISFET, the current collapse due to the interface state is improved, and the gate breakdown voltage can be expected to be improved.

なお、第2実施形態のヘテロ構造電界効果トランジスタについても、第1実施形態と同様に、電子供給層としてAlN層に変えて、AlGa1−xN層(0.6≦x<1)を用いることができる。 In the heterostructure field effect transistor according to the second embodiment, an Al x Ga 1-x N layer (0.6 ≦ x <1) is used instead of the AlN layer as the electron supply layer, as in the first embodiment. Can be used.

(第3実施形態)
図10を参照して、第3実施形態のヘテロ接合型電界効果トランジスタについて説明する。図10は、第3実施形態のヘテロ接合型電界効果トランジスタを説明するための概略図であって、主要部の切断端面を示している。
(Third embodiment)
A heterojunction field effect transistor according to the third embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a schematic view for explaining the heterojunction field effect transistor according to the third embodiment, and shows a cut end surface of a main part.

第3実施形態のヘテロ接合型電界効果トランジスタ12は、チャネル層40であるGaN層と、電子供給層50であるAlN層とが順次に積層された積層体32を備えて構成される。チャネル層であるGaN層と、電子供給層であるAlN層のAlN/GaN−ヘテロ界面に、2次元電子ガス(2DEG)が形成される。   The heterojunction field effect transistor 12 of the third embodiment includes a stacked body 32 in which a GaN layer that is a channel layer 40 and an AlN layer that is an electron supply layer 50 are sequentially stacked. A two-dimensional electron gas (2DEG) is formed at the AlN / GaN-hetero interface between the channel layer GaN layer and the electron supply layer AlN layer.

電子供給層上に、ゲート絶縁膜92であるシリコン窒化膜が形成されている。GaN層及びAlN層の形成は、第2実施形態と同様に、MOCVD法で行われ、電子供給層であるAlN層の形成に続いて、MOCVD装置内でシリコン窒化膜が形成される。   A silicon nitride film that is a gate insulating film 92 is formed on the electron supply layer. The GaN layer and the AlN layer are formed by MOCVD as in the second embodiment, and a silicon nitride film is formed in the MOCVD apparatus following the formation of the AlN layer as the electron supply layer.

この結果、AlN層の表面が大気露出することなくSiN層が形成されるので、AlN層の表面酸化、及びこの表面酸化に起因するひび割れを防ぐことができる。   As a result, since the SiN layer is formed without exposing the surface of the AlN layer to the atmosphere, surface oxidation of the AlN layer and cracks due to this surface oxidation can be prevented.

なお、第3実施形態のヘテロ構造電界効果トランジスタについても、第1及び第2実施形態と同様に、電子供給層としてAlN層に変えて、AlGa1−xN層(0.6≦x<1)を用いることができる。 In the heterostructure field effect transistor of the third embodiment, as in the first and second embodiments, an Al x Ga 1-x N layer (0.6 ≦ x) is used instead of the AlN layer as the electron supply layer. <1) can be used.

第1実施形態のヘテロ接合型電界効果トランジスタを説明するための概略図である。It is the schematic for demonstrating the heterojunction field effect transistor of 1st Embodiment. 原子間力顕微鏡で観察したAlN層表面を示す図である。It is a figure which shows the AlN layer surface observed with the atomic force microscope. 原子間力顕微鏡で観察した第2GaN層表面を示す図である。It is a figure which shows the 2nd GaN layer surface observed with the atomic force microscope. AlN層の厚みを変えた場合の、原子間力顕微鏡で観察した第2GaN層表面を示す図である。It is a figure which shows the 2nd GaN layer surface observed with the atomic force microscope at the time of changing the thickness of an AlN layer. AlN層の厚みと、表面のRMSとの関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between the thickness of an AlN layer, and surface RMS. 第1実施形態での、C−V測定によるキャリア濃度の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the carrier concentration by CV measurement in 1st Embodiment. 第2実施形態のヘテロ接合型電界効果トランジスタを説明するための概略図である。It is the schematic for demonstrating the heterojunction field effect transistor of 2nd Embodiment. 第2実施形態での、C−V測定によるキャリア濃度の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the carrier concentration by CV measurement in 2nd Embodiment. ヘテロ接合型電界効果トランジスタのゲートリーク電流を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the gate leakage current of a heterojunction field effect transistor. 第3実施形態のヘテロ接合型電界効果トランジスタを説明するための概略図である。It is the schematic for demonstrating the heterojunction field effect transistor of 3rd Embodiment. 従来のヘテロ接合型電界効果トランジスタを説明するための概略図である。It is the schematic for demonstrating the conventional heterojunction field effect transistor.

符号の説明Explanation of symbols

10、11、12 ヘテロ接合型電界効果トランジスタ
20 下地
30、32 積層体
35 素子分離領域
40 チャネル層
45 AlN/GaN−ヘテロ界面
50 電子供給層
60 キャップ層
80 ゲート電極
82 ソース電極
84 ドレイン電極
90、94 表面保護膜
92 ゲート絶縁膜
10, 11, 12 Heterojunction field effect transistor
20 Underlayer 30, 32 Laminate
35 Device isolation region
40 channel layer 45 AlN / GaN-hetero interface 50 electron supply layer 60 cap layer 80 gate electrode 82 source electrode 84 drain electrode 90, 94 surface protection film 92 gate insulating film

Claims (9)

チャネル層である第1GaN層と、
電子供給層であるAlN層と、
キャップ層である第2GaN層と
が順次に積層された積層体を備える
ことを特徴とするヘテロ接合型電界効果トランジスタ。
A first GaN layer that is a channel layer;
An AlN layer which is an electron supply layer;
A heterojunction field effect transistor comprising a laminate in which a second GaN layer as a cap layer is sequentially laminated.
チャネル層である第1GaN層と、
電子供給層であるAlGa1−xN層(0.6≦x<1)と、
キャップ層である第2GaN層と
が順次に積層された積層体を備える
ことを特徴とするヘテロ接合型電界効果トランジスタ。
A first GaN layer that is a channel layer;
Al x Ga 1-x N layer (0.6 ≦ x <1) which is an electron supply layer;
A heterojunction field effect transistor comprising a laminate in which a second GaN layer as a cap layer is sequentially laminated.
前記積層体上に、制御電極、第1主電極及び第2主電極を備える
ことを特徴とする請求項1又は2に記載のヘテロ接合型電界効果トランジスタ。
The heterojunction field effect transistor according to claim 1, further comprising a control electrode, a first main electrode, and a second main electrode on the stacked body.
前記積層体と、前記制御電極の間にゲート絶縁膜を備える
ことを特徴とする請求項3に記載のヘテロ接合型電界効果トランジスタ。
The heterojunction field effect transistor according to claim 3, further comprising a gate insulating film between the stacked body and the control electrode.
下地上に、チャネル層である第1GaN層を形成する工程と、
前記チャネル層上に、電子供給層であるAlN層を形成する工程と、
前記電子供給層上に、キャップ層である第2GaN層を形成する工程と
を備え、
前記チャネル層、電子供給層及びキャップ層は有機金属気相成長法により、同一装置内で積層される
ことを特徴とするヘテロ接合型電界効果トランジスタの製造方法。
Forming a first GaN layer as a channel layer on the ground;
Forming an AlN layer as an electron supply layer on the channel layer;
Forming a second GaN layer as a cap layer on the electron supply layer,
The method for manufacturing a heterojunction field effect transistor, wherein the channel layer, the electron supply layer, and the cap layer are stacked in the same apparatus by metal organic chemical vapor deposition.
下地上に、チャネル層である第1GaN層を形成する工程と、
前記チャネル層上に、電子供給層であるAlGa1−xN層(0.6≦x<1)を形成する工程と、
前記電子供給層上に、キャップ層である第2GaN層を形成する工程と
を備え、
前記チャネル層、電子供給層及びキャップ層は有機金属気相成長法により、同一装置内で積層される
ことを特徴とするヘテロ接合型電界効果トランジスタの製造方法。
Forming a first GaN layer as a channel layer on the ground;
Forming an Al x Ga 1-x N layer (0.6 ≦ x <1) as an electron supply layer on the channel layer;
Forming a second GaN layer as a cap layer on the electron supply layer,
The method for manufacturing a heterojunction field effect transistor, wherein the channel layer, the electron supply layer, and the cap layer are stacked in the same apparatus by metal organic chemical vapor deposition.
前記キャップ層を形成する工程に続いて、有機金属気相成長法により、同一装置内でゲート絶縁膜として用いられるシリコン窒化膜を形成する
ことを特徴とする請求項5又は6に記載のヘテロ接合型電界効果トランジスタの製造方法。
7. The heterojunction according to claim 5, wherein a silicon nitride film used as a gate insulating film in the same apparatus is formed by metal organic vapor phase epitaxy after the step of forming the cap layer. Type field effect transistor manufacturing method.
下地上に、チャネル層であるGaN層を形成する工程と、
前記チャネル層上に、電子供給層であるAlN層を形成する工程と、
前記電子供給層上に、ゲート絶縁膜として用いられるシリコン窒化膜を形成する工程と
を備え、
前記チャネル層、電子供給層及びシリコン窒化膜は有機金属気相成長法により、同一装置内で積層される
ことを特徴とするヘテロ接合型電界効果トランジスタの製造方法。
Forming a GaN layer as a channel layer on the ground;
Forming an AlN layer as an electron supply layer on the channel layer;
Forming a silicon nitride film used as a gate insulating film on the electron supply layer,
The method of manufacturing a heterojunction field effect transistor, wherein the channel layer, the electron supply layer, and the silicon nitride film are stacked in the same apparatus by metal organic vapor phase epitaxy.
下地上に、チャネル層であるGaN層を形成する工程と、
前記チャネル層上に、電子供給層であるAlGa1−xN層(0.6≦x<1)を形成する工程と、
前記電子供給層上に、ゲート絶縁膜として用いられるシリコン窒化膜を形成する工程と
を備え、
前記チャネル層、電子供給層及びシリコン窒化膜は有機金属気相成長法により、同一装置内で積層される
ことを特徴とするヘテロ接合型電界効果トランジスタの製造方法。
Forming a GaN layer as a channel layer on the ground;
Forming an Al x Ga 1-x N layer (0.6 ≦ x <1) as an electron supply layer on the channel layer;
Forming a silicon nitride film used as a gate insulating film on the electron supply layer,
The method of manufacturing a heterojunction field effect transistor, wherein the channel layer, the electron supply layer, and the silicon nitride film are stacked in the same apparatus by metal organic vapor phase epitaxy.
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